Quelle: ESA 3. Juli 2023.

3. Juli 2023 – Die ESA und die Europäische Organisation für die Nutzung von Wettersatelliten (Eumetsat) haben heute die ersten Animationen des Lightning Imager an Bord des ersten Meteosat-Satelliten der dritten Generation veröffentlicht, der am 13. Dezember 2022 gestartet ist.

Der von Leonardo gebaute Lightning Imager kann kontinuierlich schnelle Lichtblitze in der Erdatmosphäre aus einer Entfernung von 36 000km aufspüren, egal ob bei Tag oder Nacht. Das Instrument verfügt über vier Kameras, die Europa, Afrika, den Nahen Osten und Teile von Südamerika abdecken. Jede Kamera kann bis zu 1000 Bilder pro Sekunde aufnehmen und wird kontinuierlich die Blitzaktivität aus dem Weltraum beobachten.

Jede Animation enthält eine Abfolge von Bildern, die durch die Erfassung von Blitzmessungen während der Zeitspanne von einer Minute entstanden sind und mit einem einzigen Bild der Erde aus dem Lightning Imager überlagert wurden.

Die Daten des Lightning Imager werden den Meteorologen mehr Sicherheit bei der Vorhersage von schweren Unwettern geben, insbesondere in abgelegenen Regionen und auf den Ozeanen, wo die Möglichkeiten zur Erkennung von Blitzen begrenzt sind.

Simonetta Cheli, Direktorin für Erdbeobachtungsprogramme bei der ESA, kommentierte die bemerkenswerten Fähigkeiten des Instruments: „Die Animationen zeigen, dass das Instrument in der Lage ist, die Blitzaktivität über das gesamte Sichtfeld der Kameras, das 84 % der Erdscheibe abdeckt, genau und effektiv zu erfassen.

„ESA und Eumetsat sorgen gemeinsam mit europäischen Industriepartnern dafür, dass die Vorteile der hochinnovativen neuen Technologie den Gemeinden und Wirtschaftszweigen in Europa und darüber hinaus zugutekommen.“

Das Aufspüren und Analysieren von Blitzdaten wird eine wertvolle Hilfe bei der Untersuchung kurzfristiger Wettervorhersagen und beim Verständnis der Auswirkungen solcher Phänomene auf den Klimawandel sein. Gleichzeitig wird der Lightning Imager auch eine wichtige Rolle für die Sicherheit im Luftverkehr spielen, da Blitze ein hohes Risiko für die Bordinstrumente von Flugzeugen darstellen.

Phil Evans, Generaldirektor von Eumetsat, kommentierte: „Schweren Stürmen gehen oft abrupte Veränderungen der Blitzaktivität voraus. Durch die Beobachtung dieser Aktivitätsveränderungen geben die Lightning Imager-Daten den Meteorologen zusätzliche Sicherheit bei der Vorhersage von schweren Unwettern.

„Wenn diese Daten in Verbindung mit den hochauflösenden Daten des Flexible Combined Imager verwendet werden, können die Meteorologen die Entwicklung schwerer Stürme besser verfolgen und haben eine längere Vorlaufzeit, um Behörden und Gemeinden zu warnen.“

Guia Pastorini, Project Engineering Manager für den Lightning Imager bei Leonardo, fügte hinzu: „Der Lightning Imager verfügt über vier Kameras, von denen jede 1000 Bilder pro Sekunde aufnehmen kann, und zwar Tag und Nacht, sodass selbst ein einzelner Blitz schneller als ein Wimpernschlag erkannt wird.“

„Dank spezieller Algorithmen werden die Daten an Bord so verarbeitet, dass nur nützliche Informationen zur Erde gesendet werden, die die Entwicklung genauerer Wettervorhersagen unterstützen und zur Erforschung von Wetterphänomenen und zur Sicherheit im Luftverkehr beitragen.

„Gemeinsam mit der ESA und Eumetsat und unter Koordination eines internationalen Industrieteams hat Leonardo 10 Jahre lang an dieser herausragenden Technologie gearbeitet, und wir sind sehr stolz darauf, heute die Bilder des ersten europäischen Blitzjägers zu präsentieren, der weltweit der einzige mit diesen einzigartigen Leistungen ist.“

Während die Animationen ein erstes Ergebnis des Lightning Imager sind, befindet sich der Meteosat Imager der dritten Generation derzeit in der Inbetriebnahmephase, in der die Instrumente kalibriert und die Daten validiert werden. Die Daten des Lightning Imager werden Anfang 2024 mit erhöhter Empfindlichkeit für den operationellen Einsatz zur Verfügung stehen.

Die MTG-Satelliten werden von einem umfassenden Konsortium europäischer Unternehmen gebaut, welches von Thales Alenia Space in Zusammenarbeit mit OHB geleitet wird. Der innovative Lightning Imager wurde von Leonardo in Italien entwickelt und wird von Telespazio Eumetsat beim Start und in der Umlaufbahn unterstützt.

Über den Meteosat Imager der dritten Generation
Der Meteosat Third Generation-Imager ist der Erste von insgesamt sechs Satelliten des MTG-Systems, das in den nächsten 20 Jahren wichtige Daten für die kurzfristige und frühzeitige Erkennung potenzieller extremer Wetterereignisse liefern wird. Die Mission besteht im Vollbetrieb aus zwei MTG-I-Satelliten und einem MTG-Sondierungssatelliten (MTG-S), die im Tandem arbeiten.

Die Bilder des anderen wichtigen Erdbeobachtungsinstruments des Satelliten, des Flexible Combined Imager, wurden Anfang des Jahres veröffentlicht.

Die MTG-S-Sondierungssatelliten – eine Premiere für Meteosat – werden einen Infrarot-Sounder und ein Spektrometer für Messungen im ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich an Bord haben.

Durch die dreidimensionale Überwachung der atmosphärischen Instabilität in den Wolken wird der Sounder bei der Frühwarnung vor schweren Gewittern einen großen Schritt nach vorn darstellen. Er soll aus der geostationären Umlaufbahn einzigartige Informationen über die Zusammensetzung der Atmosphäre aus Ozon, Kohlenmonoxid und Vulkanasche liefern.

Alle MTG-Blitzimager-Animationen:
https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Sets/MTG_Lightning_Imager_animations

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Quelle: DESY.

Mit dem Radioteleskop LOFAR hat ein internationales Forscherteam überraschende Strukturen von Gewitterblitzen in der Erdatmosphäre entdeckt. Diese „Nadeln“ können Gewitterwolken wieder aufladen, so dass sie sich nach kurzer Zeit ein zweites Mal entladen. Das Team unter Leitung von Brian Hare und Olaf Scholten von der Universität Groningen in den Niederlanden stellt das bisher unbekannte Phänomen im Fachblatt „Nature“ vor. An der Arbeit sind auch deutsche Forscherinnen und Forscher unter anderem von DESY beteiligt.
Das Low Frequency Array LOFAR ist ein dezentrales Radioteleskop, das aus tausenden einfachen Antennen besteht. Zugehörige Antennenfelder befinden sich in vielen europäischen Ländern, in Deutschland etwa am Forschungszentrum Jülich und in Norderstedt bei Hamburg. Diese Antennen sind über Glasfasernetze miteinander verbunden und an Hochleistungsrechner angeschlossen. Diese Verbindung erlaubt es, die Antennen zusammenzuschalten und als ein riesiges, virtuelles Teleskop zu nutzen.

LOFAR dient in erster Linie zu astronomischen Beobachtungen. Allerdings ist die Anlage sehr flexibel, so dass sie sich auch zur Messung von Blitzen eignet. „Wir messen Frequenzen von 30 bis 80 Megahertz, liegen also genau zwischen dem Kurzwellen- und dem Ultrakurzwellenbereich“, berichtet Hare. „Mit diesen weltweit einzigartigen Daten konnten wir zum ersten Mal Blitze so genau auflösen, dass einzelne physikalische Prozesse sichtbar wurden. Durch die Benutzung von Radiowellen konnten wir auch ins Innere der Gewitterwolken schauen, wo sich die spannenden Prozesse abspielen.“

Blitze entstehen, wenn innere Turbulenzen verschiedene Teile großer Cumulonimbus-Wolken gegeneinander elektrisch aufladen. Der Effekt ist vergleichbar mit der aus dem Alltag bekannten statischen Aufladung. Wird der Spannungsunterschied zwischen positiven und negativen Wolkenteilen zu groß, kommt es zu einer plötzlichen Entladung, die wir als Blitz sehen können. Dabei entsteht zunächst in einem kleinen, punktförmigen Bereich ein Plasma, also ein elektrisch leitfähiges Gas, das sich dann zu Kanälen ausbreiten kann. Die Spitze eines solchen Plasmakanals kann positiv oder negativ geladen sein. Es war bekannt, dass negative Kanäle besonders viele Radiowellen an der Spitze aussenden, wohingegen positive Kanäle dies an der Spitze kaum tun.

LOFAR erlaubt es, die Radiowellen, die ein Blitz aussendet, in ihrer ursprünglichen Form unverarbeitet zu speichern. Dies wiederum ermöglicht es, neue bildgebende Verfahren zu entwickeln, die aus den Rohdaten ein dreidimensionales Bild eines Blitzes zeichnen können – zehnmal besser als bisherige Messungen, bis zu einem Meter genau und dank Radiowellen innerhalb einer Wolke, die vom Teleskop bis zu 20 Kilometer entfernt sein kann.

„Die Messungen stammen ursprünglich aus unserer Forschungsgruppe, die sich mit kosmischer Strahlung beschäftigt“, berichtet Ko-Autorin Anna Nelles von DESY. „An der Schnittstelle zwischen Teilchenphysik und Astronomie war dieses Gebiets bereits recht exotisch für ein Radioteleskop. LOFAR wurde ja vor allem für die Astronomie gebaut. Dass wir nun das beste Blitz-Interferometer der Welt sind, kam für alle überraschend und zeigt, welche spannenden Möglichkeiten sich durch Grundlagenforschung mit herausragender Infrastruktur ergeben können.“

Die Beobachtungen enthüllen bisher unbekannte, nadelförmige Strukturen. Wenn Blitze sich ausbreiten, entladen sie die Gewitterwolken nur an einigen Stellen. Die nun entdeckten Nadeln erlauben, dass elektrische Ladungen gespeichert werden, und ermöglichen damit, dass eine Gewitterwolke an der gleichen Stelle mehrfach entladen werden kann. „Unsere Erkenntnisse stehen im Widerspruch zum bisherigen Verständnis von Blitzen, in dem Ladung entlang von Plasmakanälen von einer Wolke zur anderen fließt“, berichtet Scholten. „Nur durch die unübertroffen genauen Messungen mit LOFAR konnten wir zeigen, dass sich entlang der positiven Kanäle kleine Seitenkanäle bilden, die besonders helle Radiowellen aussenden, was bedeutet, dass dort Ladung fließt.“

„In diesen Nadeln sammelt sich Ladung, die dann anschließend nicht wie erwartet in die negativen Kanäle fließt, sondern über die Nadeln in die Wolke zurückgepumpt wird. Dadurch lädt sich die Wolke erneut auf,“ ergänzt Hare. „Wir sehen eine immense Anzahl an Nadeln in unseren Beobachtungen. Dies wiederum zeigt uns, wie sich Wolken nach einer Blitzentladung so schnell wieder aufladen können. Daher kommt es aus einer Wolke zu wiederholten Blitzeinschlägen auf dem Boden, und Gewitter liefern nicht nur einen Blitz, sondern viele spektakuläre, aber auch gefährliche Entladungen.“

Animationen:
Entwicklung des Blitzes in ZeitlupeIn Echtzeit wäre die Animation kürzer als 0,2 Sekunden. Der gezeigte Blitz hat eine Ausdehnung von fünf Kilometern in alle Richtungen. Die gelben Punkte illustrieren die neuendeckten Signale. Nach ihrem Aufleuchten bleiben sie weiß, um die Struktur des Blitzes zu zeigen. Die nach oben wachsenden positiven Plasmakanäle blinken, während sich die negativen Kanäle kontinuierlich ausbreiten. Ein negativer Kanal schlägt in den Boden ein. Animation: Stijn Buitink (Vrije Universiteit Brussel) und Brian Hare (Rijksuniversiteit Groningen)

Vergrößerung des positiven Plasmakanals

In Echtzeit wären dies 0.1 Sekunden und 400 Meter. Zu Beginn ist fast keine Aktivität zu sehen. Erst nach einiger Zeit beginnen sich Nadeln zu bilden, eine besonders große Nadel ist zur besseren Sichtbarkeit rot gefärbt. Jede der Nadeln leuchtet unregelmäßig, sie blinkt. Schließlich versiegt die Aktivität in diesem Kanal. Animation: Stijn Buitink (Vrije Universiteit Brussel) und Brian Hare (Rijksuniversiteit Groningen)

Originalpublikation:

• Needle-like structures discovered on positively charged lightning branches; Brian Hare, Olaf Scholten et al.; „Nature“, 2019; DOI: 10.1038/s41586-019-1086-6

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